理化学研究所(理研)と東京大学(東大)の両者は9月19日、固体中の電子スピンが形成する渦状の磁気構造体である「スキルミオン」の運動を電流によって誘起し、同磁気渦をほぼ自由に駆動できることを実証したと共同で発表した。

同成果は、理研 創発物性科学研究センター(CEMS) 強相関量子伝導研究チームのマックス・バーチ基礎科学特別研究員、同・十倉好紀チームリーダー(東大卓越教授/東大 国際高等研究所東京カレッジ兼任)、CEMS 強相関理論研究グループの永長直人グループディレクター(最先端研究プラットフォーム連携 事業本部 基礎量子科学研究プログラム プログラムディレクター兼任)、CEMS トポロジカルエレクトロニクス研究チームの川村稔チームリーダー、東大大学院 工学系研究科 物理工学専攻のマックス・ヒルシュベルガー准教授(CEMS トポロジカル量子物質研究ユニット ユニットリーダー兼任)らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」に掲載された。

物質中の伝導電子がスキルミオンの格子を通過すると、量子力学的位相の「ベリー位相」を獲得し、創発磁場を作り出す。そして同磁場は通常の磁場と同じように、電子の動きを偏向する「トポロジカルホール効果」を生み出す。スキルミオンが運動することで誘導された新たな電場は、同効果によって生じたホール電圧の逆方向であるため、スキルミオンの速度が伝導電子の速度に追い付くにつれて、「ホール電圧」を減少させる。つまり、同効果の電圧を測定することで、スキルミオンの速度を高感度に測定できる可能性がある。しかしこれまでのところ、その可能性は十分に検証されていなかったという。

  • スキルミオンと伝導電子の運動の概念図

    スキルミオンと伝導電子の運動の概念図(出所:東大Webサイト)

そこで研究チームは今回、これまでで最大のトポロジカルホール効果を示し、大きなホール電圧が得られるスキルミオン物質である「Gd2PdSi3」の大きな単結晶からマイクロメートル程度の大きさのデバイスを切り出し、その電気伝導特性を低温で測定することで、スキルミオンのダイナミクスを観測することにしたとする。

Gd2PdSi3デバイスに流れる電流を増加させながら、トポロジカルホール効果の電圧が測定された。すると、スキルミオンがGd2PdSi3結晶に対して静止している状態から、同磁気渦が流れている状態への動的遷移を観察できたとした。

スキルミオン物質中における伝導電子の運動は、複雑な量子力学で記述されるため、伝導電子の速度は明確には定義できず、低速度で運動する物体に適用できる「ガリレオ相対性」は保証されない。伝導電子は電子バンドという複数の量子力学状態から編成されており、バンドによって異なる速度を有する。これらの速度は、通常、伝導電子が物質中の欠陥によって散乱してエネルギーを散逸させる運動量緩和プロセスによって決定されるため、一般的には全電子バンドの伝導電子からの寄与が完全に打ち消し合ってトポロジカルホール効果が消失するという保証はないという。

  • スキルミオンと伝導電子の運動

    スキルミオンと伝導電子の運動。(a)固体中のスピンの渦巻き状の配列が、スキルミオンを形成。同磁気渦は伝導電子にとっての有効磁場である創発磁場を創り出す。(b)伝導電子がスキルミオン格子を横切ると、伝導電子は同磁気渦の創発磁場によるローレンツ力を受けて偏向される。これをホール電圧として測定できる。(c)電流が大きくなると、スキルミオンが動き始める。運動する創発磁場は、トポロジカルホール効果の電圧と逆方向の創発電場を誘導する(出所:東大プレスリリースPDF)

しかし今回の実験では、十分に大きい電流密度においてトポロジカルホール効果が完全に消失したとする。これは伝導電子からスキルミオンの運動を見る基準系では、同磁気渦が静止して見えること、つまり同磁気渦と伝導電子が同じ速度で移動していることが示されており、ガリレオ相対性を想起させるとした。

研究チームはこの実験結果を受けて、伝導電子速度の平衡分布がどのように決定されるかが再考され、超伝導発現機構を検討した過去の研究を参考に、エネルギー最小化原理が重要な役割を果たしている可能性に気が付いたとする。同シナリオは、伝導電子の典型的な平均自由行程がスキルミオンのサイズ(今回の物質は約2.5ナノメートル)よりも大きい場合に可能で、同磁気渦の運動が伝導電子のペースメーカーとして機能し、伝導電子は速度を調整してエネルギーを最小化するという。そこで研究チームは、この概念を「創発的ガリレオ相対性」と命名した。

  • 測定に用いられたデバイスの電子顕微鏡像

    (a)測定に用いられたデバイスの電子顕微鏡像。集束イオンビームを使用して、」大きな結晶から切り出されたGd2PdSi3(マゼンタ)。マイクロメートルスケールの平板で構成され、電気的測定のための電極(黄色)に接続されている。(b)トポロジカルホール効果の概略図。伝導電子がデバイス内のスキルミオン格子を横切ると、同磁気渦の創発磁場によって偏向されるため、伝導電子は上端に蓄積される。この伝導電子による電荷蓄積がホール電圧として測定される。スキルミオンが伝導電子と共に動き始めると、創発電場が誘導され、トポロジカルホール効果電圧が低下する。左の矢印は、これら2つの創発電磁力のバランスを示す。ve:電子速度、bem:創発磁場、vSk:スキルミオン速度(出所:理研Webサイト)

今回の研究により、Gd2PdSi3において電流を用いてスキルミオンの運動を誘導し、同磁気渦をほぼ自由に駆動できることが実証された。これは、同磁気渦の運動を創発電磁気学によって理解するという、長年の課題を達成したものだという。また、トポロジカルホール効果の測定は、磁気構造の運動を研究する有効な手法であると共に、他の物質にも応用できる可能性があり、スキルミオンの研究に貢献することが期待できるとした。さらに、「創発的ガリレオ相対性」という新しい理論的枠組みと概念は、スキルミオンだけでなく、より一般的に電荷密度波・スピン密度波を伴うシステムの電流誘起ダイナミクスにも適用できる可能性があるとする。

今回の研究成果は将来的に、スキルミオンの動きを電気的に制御したり、読み出したりする技術として、コンピュータなどでの新技術の開発に役立つことが期待されるとしている。